劉婷，盧海，尚慧玉

（廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620）

0 前言

保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是電網(wǎng)運(yùn)行的首要任務(wù)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理性是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]。目前關(guān)于分負(fù)荷方面的研究主要為運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷，包括電網(wǎng)分層分區(qū)方案研究[2-4]和110 kV 及以下低壓配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)優(yōu)化方案研究[5-8]。

由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性的不同，110 kV 以下配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)難以直接應(yīng)用到220 kV 及以上電網(wǎng)分負(fù)荷優(yōu)化研究中。文獻(xiàn)[9]則介紹了涵蓋電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行和控制等多狀態(tài)的智能分負(fù)荷研究框架。電力系統(tǒng)一直處于動態(tài)發(fā)展過程中，在發(fā)展的不同階段，同一分負(fù)荷方案具有不同的適應(yīng)性，因此非常有必要根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況，把握進(jìn)行方式調(diào)整的時機(jī)和制訂妥善的輔助決策方案。

電網(wǎng)分負(fù)荷包括電磁環(huán)網(wǎng)開合環(huán)、負(fù)荷在不同分區(qū)間轉(zhuǎn)供，是個全局性的問題，特別是220 kV 電網(wǎng)層次分負(fù)荷，對系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性、供電可靠性等均產(chǎn)生一定的影響。現(xiàn)有對運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷方案的決策更多依賴于專家的經(jīng)驗(yàn)[2-5]，難以統(tǒng)籌兼顧分負(fù)荷方案對系統(tǒng)的綜合影響。本文結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行控制的實(shí)際問題以及建設(shè)智能電網(wǎng)的內(nèi)在需求，提出了基于綜合量化分析與模糊決策技術(shù)的220 kV 電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷輔助決策方法。

運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷輔助決策研究是在確定電源出力情況下，考慮不同分負(fù)荷方案對系統(tǒng)安全穩(wěn)定性、短路電流水平、供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面的綜合影響，識別優(yōu)化方案。運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷策略本質(zhì)上是個復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算問題，但由于220 kV 電網(wǎng)呈現(xiàn)區(qū)域內(nèi)部聯(lián)系緊密，區(qū)域間聯(lián)系相對薄弱的特點(diǎn)，可行的備選方案通常是有限的，無需在全網(wǎng)進(jìn)行策略搜索，可轉(zhuǎn)化為對有限多個目標(biāo)方案進(jìn)行優(yōu)化選擇的問題?；谏鲜鲅芯克悸罚疚闹攸c(diǎn)研究不同分負(fù)荷方案的多目標(biāo)評價量化指標(biāo)和綜合考慮多方面影響的方案優(yōu)選方法。

1 評價指標(biāo)及量化計(jì)算

電網(wǎng)分負(fù)荷是一個全局性的問題，必須統(tǒng)籌考慮對系統(tǒng)整體的影響，需涵蓋經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性等多個方面。按照內(nèi)涵明確、具有代表性、獨(dú)立性、完備性、實(shí)際可操作性等原則，應(yīng)用層次分析法的基本原理，采用表1所示運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷方案評價指標(biāo)。

表1 分負(fù)荷考核指標(biāo)

1.1 有功網(wǎng)損評價指標(biāo)

電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是我國建設(shè)節(jié)約型社會的重要組成部分，獲得電網(wǎng)運(yùn)行單位的高度重視。關(guān)于配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)包括負(fù)荷、電網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等多個方面[10]。不同分負(fù)荷方案主要涉及220 kV 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化，對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響重點(diǎn)表現(xiàn)為網(wǎng)損，本文利用有功網(wǎng)損作為分負(fù)荷方案經(jīng)濟(jì)性的評價指標(biāo)，不同方案下有功網(wǎng)損可通過潮流計(jì)算獲得。

1.2 短路電流評價指標(biāo)

對于聯(lián)系緊密的電網(wǎng)，短路電流超標(biāo)已成為影響電網(wǎng)安全供電和運(yùn)行方式安排的重要因素。電磁環(huán)網(wǎng)開環(huán)（將兩個區(qū)域聯(lián)合供電的負(fù)荷轉(zhuǎn)由一個區(qū)域供電）可明顯降低兩個區(qū)域的短路電流；將某個220 kV 變電站負(fù)荷轉(zhuǎn)供到相鄰區(qū)域供電，也可有效降低本區(qū)域的母線的短路電流?？梢姾侠矸重?fù)荷是減少短路電流經(jīng)濟(jì)、有效的手段。考慮電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中的動態(tài)變化，短路電流距遮斷容量還需保持一定的裕度。

短路電流計(jì)算包括系統(tǒng)中不同等級母線的單相、三相短路電流。各開關(guān)具有不同的遮斷容量，需制定一個量化指標(biāo)，統(tǒng)一評估不同等級、具有不同遮斷容量母線的短路電流水平。

單母線短路電流裕度指標(biāo)ηI定義為：

其中：I0為遮斷容量，I為短路電流水平。母線斷流電流裕度取單相短路電流裕度和三相短路電流裕度中的最小值，系統(tǒng)短路電流裕度取所有母線短路電流裕度中的最小值。

1.3 暫態(tài)安全評價指標(biāo)

暫態(tài)安全性包括暫態(tài)功角穩(wěn)定性、暫態(tài)電壓安全性和暫態(tài)頻率安全性三個方面。其中暫態(tài)電壓（或頻率）安全性包括暫態(tài)電壓（或頻率）穩(wěn)定性和暫態(tài)電壓（或頻率）偏移可接受性，是評價分負(fù)荷方案對系統(tǒng)影響的重點(diǎn)指標(biāo)。

1）基于EEAC 理論[11]，暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度ηθ定義為：

其中：Ainc和Adec分別表示動能增加面積和動能減少面積。如果Adec＞Ainc，則系統(tǒng)功角穩(wěn)定；如果Adec＜Ainc，則系統(tǒng)失去功角穩(wěn)定；如果Adec=Ainc，則系統(tǒng)功角臨界穩(wěn)定。

2）暫態(tài)電壓安全包括暫態(tài)電壓跌落可接受性和暫態(tài)電壓穩(wěn)定性[12]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]，暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度ηvs采用式（3）計(jì)算：

其中：S為感應(yīng)電動機(jī)的滑差，t為時間，－dS/dt為滑差導(dǎo)數(shù)的負(fù)值；Mm為感應(yīng)電動機(jī)的初始機(jī)械功率；H為感應(yīng)電動機(jī)的慣性常數(shù)。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]，暫態(tài)電壓偏移可接受性裕度采用式（4）計(jì)算：

其中：Vmin為暫態(tài)電壓最小值；Vcr為電壓跌落門檻值；Tcrv為電壓跌落持續(xù)時間；kv為電壓參數(shù)因子。

則暫態(tài)電壓安全裕度ηv為ηvs和ηvd之間的小者，即ηv=min(ηvs，ηvd)。

3）與電壓跌落可接受性的分析方法類似，根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]，暫態(tài)頻率偏移可接受性裕度ηfd采用式（5）計(jì)算：

其中：fmin為暫態(tài)頻率最小值；fcr為頻率跌落門檻值；Tcrf為頻率跌落持續(xù)時間；kf為頻率參數(shù)因子。

電力系統(tǒng)暫態(tài)安全量化分析已得到了實(shí)際工程應(yīng)用，研究中可采用現(xiàn)有成熟算法和軟件[11-14]。

1.4 靜態(tài)安全

電力系統(tǒng)穩(wěn)定導(dǎo)則規(guī)定了電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析應(yīng)用N-1 原則，逐個無故障開斷線路和變壓器等元件，檢查其他元件是否因此過負(fù)荷和電網(wǎng)低電壓，用以檢驗(yàn)運(yùn)行方式是否滿足安全運(yùn)行要求。

靜態(tài)安全裕度包括元件N-1 開斷下其它元件過載裕度和母線電壓越限裕度。

元件過載裕度ηL定義為：

其中：Lrat表示監(jiān)測元件負(fù)載額定值，L表示N-1 開斷下監(jiān)測元件負(fù)載計(jì)算值。ηL為負(fù)值表示系統(tǒng)存在元件潮流越限，正值表示監(jiān)測元件潮流在指定范圍內(nèi)，零值表示系統(tǒng)潮流臨界安全。系統(tǒng)過載安全裕度定義為所有監(jiān)測元件中安全裕度的最小值。

電壓越限裕度ηv定義為：

其中和分別表示監(jiān)測元件電壓額定值的上下限，VL表示N-1 開斷下監(jiān)測元件電壓計(jì)算值。負(fù)值表示系統(tǒng)存在元件電壓越限，正值表示監(jiān)測元件電壓在指定范圍內(nèi)，零值表示系統(tǒng)電壓臨界安全。當(dāng)母線電壓處于電壓額定值的上下限均值時裕度最大，為100%。

系統(tǒng)靜態(tài)電壓越限裕度取所有母線電壓越限裕度最小值。

1.5 負(fù)荷損失風(fēng)險

供電可靠性指的是電力系統(tǒng)對用戶提供充足電力的能力。通常利用供電可靠率、用戶平均停電時間、用戶平均停電次數(shù)、系統(tǒng)停電等效小時數(shù)等基于長時間周期的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來反映，適用于對電網(wǎng)規(guī)劃等方面的研究，難以應(yīng)用到對確定方式下供電可靠性的評估。

本文基于風(fēng)險的概念，提出利用負(fù)荷損失風(fēng)險指標(biāo)來表征當(dāng)前方式下的供電可靠性。若有N 個考核故障，則系統(tǒng)負(fù)荷損失風(fēng)險Rf定義為：

其中：為故障i的概率；為故障i導(dǎo)致的負(fù)荷損失。

2 分負(fù)荷方案的優(yōu)化決策

2.1 多目標(biāo)決策方法的選擇

綜合決策是在確定指標(biāo)下，如何綜合多個指標(biāo)去評估一個問題。目前主要包括三類方法[15]：一是綜合指標(biāo)法，將不同量綱標(biāo)指標(biāo)準(zhǔn)化，利用各種方法將它們提煉成一個綜合指標(biāo)，用該指標(biāo)對研究問題進(jìn)行決策；二是綜合評分法，通過給各指標(biāo)打分，設(shè)置權(quán)重后，用加權(quán)平均值作為評判標(biāo)準(zhǔn)；三是綜合決策法，直接對多個指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立評價模型進(jìn)行綜合決策，如模糊決策方法等。

分負(fù)荷方案評價涉及短路電流、安全裕度、負(fù)荷損失風(fēng)險和網(wǎng)損等不同量綱的指標(biāo)，難以提煉成統(tǒng)一指標(biāo)。不同評判標(biāo)準(zhǔn)決定了綜合評分法的決策結(jié)果，受主觀因素影響較大，難以用于分負(fù)荷方案的優(yōu)化決策。模糊決策方法可很好解決具有多目標(biāo)屬性的優(yōu)化決策問題[16]，本文采用該方法研究分負(fù)荷方案優(yōu)化決策。

2.2 分負(fù)荷方案多目標(biāo)模糊推理

假設(shè)共有m 個備選方案，考核指標(biāo)為n 個，其分負(fù)荷方案優(yōu)選的決策集合為論域：

其中：di為第i個備選方案的分負(fù)荷決策，i=1,2,...m。

決策的優(yōu)化目標(biāo)集合為：

其中：vj為第j個考核指標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo)，j=1,2,...n。

則第i個方案所得考核指標(biāo)值的向量為：

以表示第種方案所得第種目標(biāo)值，則m 個備選方案的n 目標(biāo)值矩陣為：

以各個指標(biāo)間的相對偏差作為第j項(xiàng)目標(biāo)因素對第i種方案的評價值，根據(jù)相對優(yōu)屬度原則構(gòu)成評價模糊關(guān)系：

其中：

進(jìn)一步運(yùn)用德爾斐法（Delphi）、專家調(diào)查法或判斷矩陣分析法確定各目標(biāo)元素的權(quán)重，可得目標(biāo)因素權(quán)重分配模糊子集：

然后采用加權(quán)平均模型可對各種決策進(jìn)行評價：

根據(jù)最大隸屬原則，具有最大決策向量的方案為最優(yōu)方案，即max(B)所對應(yīng)的備選方案便是兼顧多種目標(biāo)的最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷方案。

2.3 分負(fù)荷方案優(yōu)化決策流程

分負(fù)荷方案的優(yōu)化決策流程如圖1 所示。

圖1 分負(fù)荷方案優(yōu)化決策流程

1）制定適合電網(wǎng)特點(diǎn)的運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷方案評價指標(biāo)，根據(jù)電網(wǎng)特點(diǎn)，可適當(dāng)做出增減。

2) 根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及分負(fù)荷通道情況，形成運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷備選方案。

3）優(yōu)先計(jì)算短路電流指標(biāo)，淘汰短路電流超標(biāo)的備選方案，最終形成有效備選方案集。

4）制定計(jì)算系統(tǒng)安全穩(wěn)定裕度的考核故障集，設(shè)定用于計(jì)算頻率安全裕度和電壓安全裕度的考核母線及其二元表（V，t）、（f，t），對各指標(biāo)進(jìn)行量化評價。

5）計(jì)算有效備選方案下的網(wǎng)損、N-1 靜態(tài)評估指標(biāo)、供電可靠性等指標(biāo)。

6）形成各有效備選方案下的計(jì)算指標(biāo)值集合。

7）利用成熟的模糊決策方法評價各分負(fù)荷備選方案，得到最優(yōu)方案。

3 應(yīng)用實(shí)例

利用本文所研究指標(biāo)和分負(fù)荷方案的模糊推理方法，對某城市規(guī)劃電網(wǎng)進(jìn)行了分負(fù)荷方案的優(yōu)化決策，限于篇幅，僅介紹三個備選方案下優(yōu)化決策過程，如圖2～圖4 所示。

圖2 分負(fù)荷方案一

圖3 分負(fù)荷方案二

圖4 分負(fù)荷方案三

其中：方案二在方案一基礎(chǔ)上，解開220 kVYH-DJ 線路、220 kVSL-BJH 線路；方案三在方案一基礎(chǔ)上，解開220 kVSL-BJH 線路，合上220 kVYY-PJ 線路。

取暫態(tài)功角穩(wěn)定裕度、暫態(tài)電壓安全裕度和暫態(tài)頻率安全裕度中最小值作為系統(tǒng)暫態(tài)安全裕度。暫態(tài)評估和負(fù)荷損失風(fēng)險評估故障集為500 kV 和200 kV 線路N-1 和N-2 故障，為便于計(jì)算，取所有故障發(fā)生概率均相同，并假設(shè)為100%。不同方案下評價指標(biāo)如表2 所示。

表2 運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷不同方案的多目標(biāo)評價

根據(jù)表2 所示評價指標(biāo)計(jì)算結(jié)果形成優(yōu)化目標(biāo)矩陣為：

根據(jù)相對優(yōu)屬度方法形成評價模糊關(guān)系矩陣為：

通過專家調(diào)查獲得6 個指標(biāo)的權(quán)重分別為0.8，0.9，0.95，0.9，0.9，0.85，即目標(biāo)因素權(quán)重分配模糊子集：

計(jì)算得到：

根據(jù)最大隸屬原則，向量最大的B1（4.35）對應(yīng)的方案一便是三個備選方案中的最優(yōu)方案。

4 結(jié)束語

從電網(wǎng)運(yùn)行控制的實(shí)際需求出發(fā)，研究了220 kV 電網(wǎng)分負(fù)荷決策技術(shù)。制定了涵蓋經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性的運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷方案的評價指標(biāo)，給出了各個指標(biāo)量化計(jì)算方法，綜合比較各種優(yōu)化方法特點(diǎn)，利用模糊推理方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷多目標(biāo)優(yōu)化。

綜合量化分析技術(shù)和模糊推理方法的運(yùn)行規(guī)劃分負(fù)荷決策技術(shù)，具有普適性，可大大提高電網(wǎng)運(yùn)行方式的智能化水平，推動智能分負(fù)荷技術(shù)在電網(wǎng)的應(yīng)用。